JP2017517749A - 調節可能なナノギャップ電極用のデバイス及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001] 本出願は、参照によりそのそれぞれが全体として本明細書に組み込まれる、2014年5月8日に出願された米国仮特許出願第61/990,542号と、2014年5月8日に出願された米国仮特許出願第61/990,507号との優先権を主張する。
[0014] 本明細書で言及される、全ての刊行物、特許、及び特許出願は、個々の刊行物、特許、及び特許出願のそれぞれが参照により組み込まれることを特別かつ個々に示された場合と同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。参照により組み込まれる刊行物及び特許又は特許出願が、本明細書に含有される開示と矛盾する程度まで、本明細書は、任意のそのような矛盾する材料に取って代わり及び/又は優先するものとする。
[0044] ナノギャップトンネル電極は、DNA塩基の測定に使用されてきた。適切なギャップサイズが選択されると、DNA鎖の存在を検出するだけでなく、塩基配列を決定することも可能になる。しかし、各ナノギャップごとに適切なギャップ間隔を製作することは、特に電極のアレイが一緒に製作される場合に実に難しく、外部XYZ機構を使用する個々の調節は、サイズ上の制約により不可能である。必要な許容差は、ナノメートルよりも著しく小さく、0.1ナノメートル(nm)以下の許容差が望ましいものであり得る。
[0073] 本開示は、調節可能なナノ電極などの、ナノ電極を較正するための方法を提供する。ナノ電極対は、較正標準部分を使用して較正することができる。較正標準部分は、核酸分子(例えば、DNA又はRNA)又は複数の核酸分子を含んでいてもよく、核酸ポリマーへの標識又はその他の修飾を含み得る天然又は合成塩基を利用してもよい。これは検出される標的が、DNA及び/又はRNA、又はその他の類似の天然若しくは合成核酸である場合、特に望ましいものであり得る。ナノ電極対の前記較正は、DNA配列決定若しくはその他のバイオポリマーの配列決定で使用するための、又はバイオポリマー若しくは溶液中のその他の所望の標的を同定しその数を定量するための、ナノ電極対の応答を最適化するために役立てることができる。トンネル電流は、較正標準部分を通過してもよく、それによって物理的に直接結合されているナノ電極対を通過してもよく、それによって較正標準が測定される。較正標準部分は、それによって直接物理的に結合されているとみなされるナノ電極対のナノ電極の間に物理的に存在していてもよい。
[0097] 本開示は、本開示の較正センサーなど、本明細書で提供された方法を実施するために、プログラムされた又はその他の手法で構成されたコンピューター制御システムを提供する。図15は、シングルコア若しくはマルチコア処理装置、又は並列処理用の複数の処理装置とすることができる、中央処理装置(CPU、本明細書では「処理装置」及び「コンピューター処理装置」とも呼ぶ)1505を備えるコンピューターシステム1501を示す。コンピューターシステム1501は、メモリー又はメモリー位置1510(例えば、ランダムアクセスメモリー、読出し専用メモリー、フラッシュメモリー)、電子記憶ユニット1515(例えば、ハードディスク)、1つ又は複数のその他のシステムと通信するための通信インターフェース1520(例えば、ネットワークアダプター)、及び周辺装置1525、例えばキャッシュ、その他のメモリー、データ記憶及び/又は電子表示アダプターも備える。メモリー1510、記憶ユニット1515、インターフェース1520、及び周辺装置1525は、マザーボードなど、通信バス(実線)を通してCPU 1505と通信する。記憶ユニット1515は、データを記憶するためのデータ記憶ユニット(又はデータリポジトリー)とすることができる。コンピューターシステム1501は、通信インターフェース1520の助けを借りて、コンピューターネットワーク(「ネットワーク」)1530に動作可能に連結することができる。ネットワーク1530は、インターネット、インターネット及び/又はエクストラネット、又はイントラネット及び/又はエクストラネットであって、インターネットと通信するものとすることができる。ネットワーク1530は、ある場合には、遠距離通信及び/又はデータネットワークである。ネットワーク1530は、クラウドコンピューティングなどの分散コンピューティングを可能にすることができる、1つ又は複数のコンピューターサーバーを備えることができる。ネットワーク1530は、ある場合にはコンピューターシステム1501の助けを借りて、ピアツーピアネットワークを実施することができ、コンピューターシステム1501に連結されたデバイスがクライアント又はサーバーとして振る舞うことが可能になり得る。
Claims (52)
- バイオポリマーの配列を決定するためのデバイスであって、
少なくとも1つの流体ナノチャネルを備える基板と、
前記基板に隣接して配置され、それぞれが少なくとも1つのナノ電極対を備える複数の電極構造であり、各ナノ電極対が、前記少なくとも1つのナノ電極対のナノ電極間のギャップを画定する領域を含み、前記少なくとも1つのナノ電極対が、前記少なくとも1つの流体ナノチャネルと交差する、複数の電極構造と、
前記少なくとも1つのナノ電極対と一体化され、前記少なくとも1つのナノ電極対の前記ナノ電極間の前記ギャップの間隔を調節するアクチュエータと、
を備えるデバイス。 - 前記基板がシリコンである、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板に組み込まれた圧電素子である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板の外にある圧電素子である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ギャップが、前記基板の平面に実質的に直交しない角度に向いている、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、カンチレバー構造を備える、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、複数の固定点を持つブリッジ構造を備える、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板の平面に実質的に平行に移動可能である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つのナノ電極対が複数のナノ電極対を含み、前記複数のナノ電極対のナノ電極間のギャップが同じアクチュエータによって調節可能である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、熱膨張によって駆動される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、バイメタル撓み素子を備える、請求項10に記載のデバイス。
- 前記熱膨張が、前記基板に一体化された加熱素子によって推進される、請求項10に記載のデバイス。
- 前記熱膨張が、前記基板の外にある加熱素子によって推進される、請求項10に記載のデバイス。
- バイオポリマー配列決定のためのデバイスであって、
少なくとも1つの流体ナノチャネルを備える基板と、
前記基板上に配置され、それぞれが少なくとも1つのナノ電極対を備える複数の電極構造であり、各ナノ電極対が、前記少なくとも1つのナノ電極対のナノ電極間のギャップを画定する領域を有する、複数の電極構造と、
前記少なくとも1つのナノ電極対と一体化され、前記少なくとも1つのナノ電極対の前記ナノ電極間の前記ギャップの間隔を調節するアクチュエータと、
前記少なくとも1つのナノ電極対の前記ナノ電極と電気通信し、前記ギャップを横断する電流を使用してバイオポリマーの配列を特定するデータ処理装置と、
を備えるデバイス。 - 前記基板がシリコンである、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板に組み込まれた圧電素子である、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板の外にある圧電素子である、請求項14に記載のデバイス。
- 前記ギャップが、前記基板の平面に実質的に直交しない角度に向いている、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、カンチレバー構造を備える、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、複数の固定点を持つブリッジ構造を備える、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、前記基板の平面に実質的に平行に移動可能である、請求項14に記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つのナノ電極対が複数のナノ電極対を含み、前記複数のナノ電極対のナノ電極間のギャップが同じアクチュエータによって調節可能である、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、熱膨張によって駆動される、請求項14に記載のデバイス。
- 前記アクチュエータが、バイメタル撓み素子を備える、請求項23に記載のデバイス。
- 前記熱膨張が、前記基板に一体化された加熱素子によって推進される、請求項23に記載のデバイス。
- 前記熱膨張が、前記基板の外にある加熱器によって推進される、請求項23に記載のデバイス。
- 前記データ処理装置が、外部コンピューター装置に含まれる、請求項14に記載のデバイス。
- 前記外部コンピューター装置がクラウドコンピューティングデバイスである、請求項27に記載のデバイス。
- 前記電流がトンネル電流である、請求項14に記載のデバイス。
- バイオポリマーの配列を決定するためのシステムであって、
少なくとも1つの流体チャネルを備える基板と、
前記基板上に又は前記基板に隣接して配置された複数の電極構造であり、当該複数の電極構造のそれぞれが、ギャップによって離間された少なくとも1つの電極対を含み、前記少なくとも1つの電極対が、前記少なくとも1つの流体チャネルと交差する、複数の電極構造と、
前記少なくとも1つの電極対と一体化され、前記ギャップの間隔を制御可能に調節するアクチュエータと、
を備えるシステム。 - 前記バイオポリマーが、前記ギャップの少なくとも一部を通り抜ける核酸分子である、請求項30に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの電極対と電気通信する制御システムであって、前記ギャップ内を核酸分子が流れたときに前記少なくとも1つの電極対の間の電流を測定する制御システムをさらに備える、請求項31に記載のシステム。
- 前記電流がトンネル電流である、請求項32に記載のシステム。
- 前記複数の電極構造の少なくとも部分集合が、複数の電極対を備える、請求項30に記載のシステム。
- 前記複数の電極対が独立してアドレス指定可能である、請求項34に記載のシステム。
- 前記電極対の少なくとも1つが独立してアドレス指定可能である、請求項30に記載のシステム。
- モノマーを有する核酸分子の配列決定をするための複数の電極を較正するための方法であって、
基板にナノチャネルを設ける工程であり、前記ナノチャネルが、ギャップによって離間された1対のナノ電極を含み、前記ギャップが、調節可能な間隔を有する工程と、
複数の参照較正部分を前記ナノチャネルに流す工程であり、前記参照較正部分が、核酸分子のモノマーの少なくとも一部に対応し、前記参照較正部分が、非核酸部分である工程と、
前記ナノ電極を使用して、前記複数の参照較正部分の少なくとも部分集合を通る電流を測定する工程と、
1つ又は複数の前記電流の測定値に基づいて、前記ギャップの間隔を調節する工程と、
を備える方法。 - 前記ナノ電極で測定された電流が所定の電流プロファイルに対応するように、前記間隔が調節される、請求項37に記載の方法。
- 前記ナノチャネルが、ギャップを有するナノ電極の複数の対を備える、請求項37に記載の方法。
- ナノ電極の対を選択する工程であって、そのそれぞれが、前記ナノ電極の対による前記複数の参照較正部分に関する電流の測定によって決定されるように、所望のギャップ間隔に設定される工程をさらに備える、請求項39に記載の方法。
- 所望のナノ電極対ギャップ間隔を持たないギャップが調節され、前記電流が、前記ナノチャネル内を前記複数の参照較正部分が流れたときに測定される、請求項39に記載の方法。
- 所望のナノ電極対ギャップ間隔を持たないナノ電極の対にフラッグが立てられ、前記ナノ電極の対からのデータ収集が停止される、請求項39に記載の方法。
- 前記ナノチャネル内を前記参照較正部分が流れたときに、前記ナノ電極の対のそれぞれによる電流の測定値に基づいて、前記ギャップのそれぞれに関して間隔を調節する工程をさらに備える、請求項39に記載の方法。
- 前記ナノ電極の複数の対のいくつかの部分集合が、異なる金属、コーティング、又はそれに結合されている部分で形成され、1つ又は複数の前記電流の測定値が、前記ナノ電極の複数の対の部分集合のそれぞれに関連した異なる較正値による1つ又は複数の較正設定をもたらす、請求項39に記載の方法。
- 前記複数の参照較正部分が、公知の配列を含有する合成又は天然バイオポリマーである、請求項37に記載の方法。
- 前記複数の参照較正部分が対称配列を有する、請求項45に記載の方法。
- 1つ又は複数の前記電流の測定値が、不揮発性メモリーに記憶される較正設定を提供する、請求項37に記載の方法。
- 前記不揮発性メモリーが、(i)前記ナノチャネルを含み若しくは前記ナノチャネルに近接しているか、又は(ii)前記ナノチャネルに対して遠隔に配置されている、機器上にある、請求項47に記載の方法。
- 前記不揮発性メモリーがバッテリーバックアップされている、請求項47に記載の方法。
- 前記較正設定が、個々の電極対用に保持された1つ又は複数の較正値を備える、請求項47に記載の方法。
- 前記参照較正部分が、キットの一部として供給される、請求項37に記載の方法。
- 前記参照較正部分がホモポリマー配列に対応する、請求項37に記載の方法。
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